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光学传感指纹采集技术的发展

发布时间:2019-12-04 11:35:45

光学传感指纹采集技术的发展

指纹传感器(又称指纹Sensor)是实现指纹自动采集的关键器件。最早的指纹识别技术,是以光学传感器为基础的光学识别系统,识别范围仅限于皮肤的表层,通常把它叫做第一代指纹识别技术;而采用了电容传感器技术的第二代指纹识别系统实现了识别范围从表皮到真皮的转换,从而大大提高了识别的准确率和系统的安全性,也是目前市场大部分指纹识别设备的基础。

第一代指纹识别系统光学传感器

始于1971年的光学传感器是研究最早、应用最广泛的指纹传感器。其技术关键是光的全反射,手指置于加膜台板(一般是硬质塑料,不同厂家材料有异),照射到压有指纹的玻璃表面时,反射光经电荷耦合器件(chargeCOUpleddevice,CCD)转换为 相应电信号,并传输后端进一步处理。其中,反射光强度取决于两方面因素:压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度、皮肤与玻璃间的油脂和水分。由于光线经玻璃照射到谷的区域后在玻璃与空气的界面发生全反射至CCD,而射向脊的光线被脊与玻璃的接 触面吸收或者漫反射到其他地方,这样,即可利用CCD将有深色脊和浅色谷构成的指纹图像转换成数字信号。当然,为获得较高质量的指纹图像,还需采用自动或手工方式调整图像亮度等

光学指纹传感器优点主要表现为抗静电能力强、系统稳定性较好、使用寿命长,能提供分辨力为500dpi(dOtperinch)的图像,特别是能实现较大区域的指纹图像采集,但指纹图像采集区域较大时所需焦距亦较长,采集设备体积需随之增大,否则,会导致采集的图像边缘线形发生扭曲。

光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面(潜在指印是手指在台板上按完后留下的),不但会降低指纹图像的质量,严重时,还可能导致2个指印重叠,显然,难以满足实际应用需要。此外,台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗,可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层),所以只能够扫描手指皮肤的表面,或者扫描到死性皮肤层,但不能深入真皮层。在这种情况下,手指表面的干净程度,直接影响到识别的效果。如果,用户手指上粘了较多的灰尘,可能就会出现识别出错的情况。并且,如果人们按照手指,做一个指纹手模,也可能通过识别系统,对于用户而言,使用起来不是很安全和稳定。

光学传感器中存在棱镜,其体积较大,一般为半导体的几倍甚至10倍大小,所以限制了其在小型设备上的应用。在类似考勤机、门禁等大设备上使用没有体积限制的问题,但在U盘、移动硬盘、手持设备上使用,体积成了最大的障碍。成本低一直以来被认为是光学传感器的最大优势,但由于其制造过程一致性较难保证,随着以电容传感器为代表的半导体传感器的大规模发展,光学传感器的成本优势也已经不再明显。虽然大多数公司还在使用光学传感器,但其发展趋势是新颖的、高质量的电容指纹传感器。

第二代指纹识别系统 电容传感器

电容传感器始于1998年,属于半导体传感器的一种,半导体指纹传感器还包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等,其中,应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同,来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时,因为嵴是凸起的峪是凹下,根据电容值与距离的关系,会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同,所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢,而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同,可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹图像数据。

与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像(如手指压得较轻的区域)也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,生成高质量指纹图像。

电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层,达到手指皮肤的活体层(真皮层),直接读取指纹图案,从而大大提高了系统的安全性。

电容指纹传感器因制造工艺复杂,单位面积上传感单元多,包含高端的,IC设计技术、大规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等,所以电容指纹传感器几乎全部是由,IC技术发达的国家或地区,如美国、欧洲、台湾等地设计、制造的。目前国内厂家基本上没有能力生产电容指纹传感器。

各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品,技术新颖且先进的首推瑞典ingerprintCard公司推出的FPC1011C,是一种电容式面装指纹传感器。该传感器采用了多项专利,如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜等。内部具有A/D转换,高的SPI接口,8PIN的软排线可以方便的接入各种系统。该技术能适应各种复杂指纹,并能在各种环境下获得从干手指到湿手指的高质量指纹图像,从而显著降低指纹识别系统误识率、拒识率。

随着指纹识别技术的不断发展,质量高、功耗低、体积小的电容传感器传感器作为便携式产品极其重要的指纹图像采集手段,应用日益广泛,其市场规模以惊人速度飞速拓展。2003年11月,美国Frost Sul,Uvan发布的指纹传感器市场调查结果表明:目前,在面向身份认证的指纹传感器中,传统型光学传感器占一定优势,受电容传感器技术进步和价格下降等因素的影响, 电容传感器的份额将逐渐增加,成为指纹采集技术的主流。

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